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《激光与光电子学进展》2021年第15期封面故事:深陷阱长余辉发光材料:光能与光学信息存储器

已有 222 次阅读 2021-8-27 15:41 |系统分类:论文交流

封面|深陷阱长余辉发光材料:光能与光学信息存储器

近日,厦门大学的庄逸熙和解荣军研究团队在《激光与光电子学进展》上发表题为“面向光学信息存储应用的深陷阱长余辉发光材料研究进展”的综述文章。文中,作者概述了深陷阱长余辉发光材料的研究背景,介绍了基于深陷阱对载流子俘获和再释放的信息存储和读取原理,梳理了近年来深陷阱长余辉发光材料研究的重要突破和最新进展,最后对深陷阱长余辉发光材料未来的发展进行了展望。

封面解读:

本封面展示了二维平面型深陷阱长余辉发光材料的激光直写信息过程。材料中包含的深陷阱能级能够将部分光能存储起来形成特定的能量亚稳态,从而在信息读出过程中释放包含多种信息元素的光子、实现多维光学信息存储和读取。

封面文章链接庄逸熙,陈敦榕,解荣军. 面向光学信息存储应用的深陷阱长余辉发光材料研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2021, 58(15): 1516001

 

一、研究背景

长余辉发光材料受到高能射线、紫外线或短波长可见光辐射时将部分能量存储于材料的陷阱中,随后在热作用下缓慢发射光子产生持续发光。长余辉材料独特的延迟发光特性使其广泛应用于生物荧光成像、光学信息存储和光学防伪等领域。其中,深陷阱长余辉发光材料在具有室温冻结载流子、高温或光激励释放光子的特性,是理想的光学信息存储材料。由高温热激活或光激励产生的光子发射释放包含发光强度和发光波长等多重信息,这使得深陷阱长余辉发光材料能够基于强度或波长的多路复用技术实现多维光学信息存储。

开发具有大信息存储容量和高信息保持率的电子俘获性光学信息存储介质和存储技术,是当前长余辉发光材料研究领域的重要发展方向。

二、深陷阱长余辉发光材料的发光机理

1、长余辉发光机理

激发光源:高能射线、紫外线或短波长可见光;

光激发储能过程:以电子为受俘获载流子为例,在激发光源持续照射下电子从价带直接跃迁至导带或电子从发光中心的基态跃迁至其激发态再转移至导带,随后被陷阱俘获(图1a);

深陷阱长余辉发光材料的光子发射:被深陷阱俘获后,电子在室温下被冻结;只有当其受到高温热激活(一般为200 oC以上)或光激励(光子能量大于1.0 eV)时,电子才能获得足够能量快速脱离陷阱,从而与发光中心复合发射光子(图1b)。

2、基于深陷阱长余辉发光材料的信息存储和读取原理

信息写入:将平面空间矩阵化,未受到光照的点阵处于初始态,该点阵未被写入信息;受到高能光辐照的点阵将部分能量存储于深陷阱中,该点阵被写入信息转为亚稳态;

信息读取:通过高温热激活或激励光扫描点阵,使被写入信息的点阵释放光子,通过光电探测器收集光子获得二维平面的光谱信息,光谱包含波长和强度等高维度信息;

信息擦除:通过高温热处理将陷阱中的载流子全部清空,所有点阵恢复初始态(图1c)。

图1 长余辉发光机理及光学信息存储于应用:(a)室温长余辉发光材料和(b)深陷阱长余辉发光材料的能级模型图;(c)深陷阱长余辉发光材料应用于光学信息存储的模型图

三、深陷阱长余辉发光材料

长余辉发光材料一般由基质、发光中心和陷阱组成,其中基质能显著影响材料的能带结构和发光中心的配位环境从而改变材料的激发波长、发光波长和陷阱深度等。文中作者根据基质组成将深陷阱长余辉发光材料分为卤(氧)化物、硫化物、氧化物和氮(氧)化物四类。

1、卤化物或卤氧化物:卤化物具有大的禁带宽度,通常用高能射线做为激发光源。已报道的典型碱土金属卤化物包括BaFX:Eu2+X为不同卤素)、BaFCl:Sm3+/Sm2+、NaLuF4:Ln3+、NaYF4:Ln3+(Ln3+为不同三价稀土离子)等。利用卤化物的深陷阱长余辉性能,可有效实现多维光学信息存储和读取,特别是NaLuF4:Ln3+和NaYF4:Ln3+纳米长余辉发光材料可以用于柔性X射线延时成像和可喷墨打印多维光学信息存储中,具有巨大应用潜力。

2、硫化物:通过掺杂镧系离子或过渡金属离子,可制备不同发射波长和陷阱深度的硫化物长余辉发光材料,其中适用于光学信息存储的有CaS:Eu2+,Sm3+和SrS:Eu2+,Sm3+等。尽管硫化物是最早研究的长余辉材料,但是在应用过程中存在长余辉发光强度低,化学稳定性较差,生产过程释放有害气体等缺点。

3、氧化物:近年来的深陷阱长余辉发光材料的研究主要集中于氧化物,种类繁多,主要有一元阳离子氧化物,如Lu2O3:Tb3+等;硅酸盐/锗酸盐/锡酸盐,如Ba2SiO4:Eu2+,Nd3+、MgGeO3:Mn2+,Eu3+等;铝酸盐/镓酸盐,如12CaO·7Al2O3:Eu2+,Mn2+、ZnGa2O4:Cr3+等;钛酸盐/锆酸盐,如Ca4Ti3O10:0.01Pr3+,Y3+、ZrO3等;氧化物玻璃,如Zn-Si-B-O:Mn2+透明玻璃等。与氟化物和硫化物相比,氧化物长余辉发光材料禁带宽度适中,能够在紫外光激发下储能,具有化学稳定性好、易于合成、保存和制备陶瓷材料等优点。

4、氮化物或氮氧化物:氮基化合物化学性质稳定,具有较强的共价性和电子云重排效应,对氮基长余辉发光研究主要集中于以Eu2+、Ce3+、Yb2+为发光中心的材料。典型材料包括氮氧化物体系SrSi2O2N2:Eu2+,Ln3+和SrSi2O2N2:Yb2+,Ln3+等。研究结果表明,通过引入不同共掺离子能够有效调控材料的陷阱深度(陷阱能级工程),这不仅为光学信息存储应用提供性能优异的材料,也为设计其他应用的长余辉发光材料提供了重要思路。

四、展望

深陷阱长余辉发光材料在近几十年得到了快速发展,取得了许多突破性的成果和进展,但是仍存在许多亟待解决和攻克的难题:

1、深陷阱长余辉材料的设计。为了提高信息存储时光学信息的保持率,减少室温下载流子的复合,需要开发具有足够深且分布窄的陷阱的发光材料;为了实现高容量存储和高准确度的信号识别,需要开发具有高的余辉强度,粒径小且均匀的纳米材料。

2、陷阱结构的深入解析。目前的研究中仅能在经典长余辉发光材料中建立出长余辉发光特性与某种“可能的陷阱结构”之间的关联,缺乏对陷阱结构的精准表征,这是需要持续研究的基础科学问题。

3、光学存储能力的定量表征。现阶段对于陷阱特性的研究几乎都集中于陷阱深度的定性表征,难以比较不同种材料之间的陷阱密度,因此搭建高灵敏度和标准化的测试装置是一大挑战。

4、长余辉发光波段与光谱探测范围的拓展。已知材料的发光主要集中在可见区域,开发在紫外和红外区域高效发光的深陷阱长余辉材料,升级在该波段光电探测装置的灵敏度,满足在多维光学信息存储以及生物领域的应用,将是未来重点的研究目标。

更多详细内容可查看原文:庄逸熙,陈敦榕,解荣军. 面向光学信息存储应用的深陷阱长余辉发光材料研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2021, 58(15): 1516001

此前,研究团队在长余辉发光材料和应力发光材料开发和应用方面已取得一系列研究进展。主要包括:(1) 利用深陷阱长余辉发光材料对光子的吸收存储和选择性再释放特性,在柔性荧光粉体薄膜上首次实现了高密度光学信息的逐点写入-全域读取/逐点读取【Adv. Funct. Mater. 2018, 28: 1705769】;(2) 报道了基于多色发光的单分散纳米氟化物长余辉发光材料和喷墨打印技术实现多维光学信息存储的新思路【Light-Sci. Appl. 2020, 9: 182】;(3) 综述了应力发光材料和在应力传感的应用,总结了基于应力发光的力学传感器件设计要求,并展望了应力发材料及器件的未来发展趋势【Adv. Mater. 2021, 33: 2005925】。




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